BAĞIL NEMİ NEMLENDİRME SİSTEMİ İLE KONTROL EDİLEN KAMARADA SAKLANAN PİRİNCİN NEM SORPSİYON İZOTERMLERİ VE TERMODİNAMİK YAKLAŞIM

Transkript

1 BAĞIL NEMİ NEMLENDİRME SİSTEMİ İLE KONTROL EDİLEN KAMARADA SAKLANAN PİRİNCİN NEM SORPSİYON İZOTERMLERİ VE TERMODİNAMİK YAKLAŞIM Hasan TOĞRUL, Nurhan ARSLAN Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü-ELAZIĞ ÖZET Bağıl nemi nemlendirme sistemi ile kontrol edilen kamarada saklanan pirincin nem sorpsiyon izotermleri % bağıl nem ve o C sıcaklıklarda belirlenmiştir.tip II izotermler sergileyen pirincin denge nem içeriği belli bir bağıl nemde sıcaklıkla artmıştır. Adsorpsiyon ve desorpsiyon izoterm eğrileri arasında histerisiz gözlenmiştir. Sorpsiyon verilerinin GAB, BET, Henderson, Iglesias-Chirife, Oswin, Peleg, Smith ve Caurie gibi izoterm eşitliklerine uygunluğu araştırılmış ve sorpsiyon eşitliklerinin sabitleri non-lineer regresyon analizi ile belirlenmiştir. Çeşitli istatistiksel testlere göre tüm sıcaklık ve bağıl nem değerlerinde deneysel sorpsiyon verileri en iyi Peleg modeli ile temsil edilmiştir Clasius-Clapeyron eşitliği kullanılarak hesaplanan isosterik ısının nem içeriğindeki artış ile azaldığı ve yüksek nem içeriklerinde suyun buharlaşma gizli ısısına yaklaştığı gözlenmiştir. Anahtar kelimeler: Nemlendirme sistemi; Pirinç; Sorpsiyon izotermleri; Termodinamik GİRİŞ Su, gıdaların bozulmasına neden olan en önemli faktördür. Gıdaların mikrobiyal ve kimyasal olarak bozulmasını önlemek için nem içeriğinin kontrol edilmesi gerekir. Denge koşullarında sabit bir sıcaklıkta gıdanın su aktivitesi ve toplam nem içeriği arasındaki ilişki nem sorpsiyon izotermlerini verir. Denge bağıl nemi ve denge nem içeriği arasındaki ilişkinin bilinmesi; pirincin kurutulması, karıştırılması, paketlenmesi ve depolanması işlemlerinde önemlidir.gıda maddelerinin depolama sırasında farklı sıcaklıklara maruz kaldığı durumlarda sorpsiyon izotermlerine sıcaklığın etkisinin önemi vardır. Su sorpsiyon izotermleri gıdaların su sorpsiyon özelliklerini tahmin etmek için gereklidir. Gıda maddelerinin su sorpsiyon izotermlerini tarif etmek için çeşitli matematiksel modeller kullanılmaktadır. Bunlar tek tabaka ve çok tabaka sorpsiyon izotermlerini tarif eden modeller, yarı amprik ve amprik modellerdir. Dehidratasyon prosesleri için tasarlanan cihazlarda ve gıdaların kurutulması işlemlerinde sorpsiyon ısısının da bilinmesi önemlidir [1,2,3]. Bu çalışmanın amacı; bazı nem sorpsiyon eşitliklerini kullanarak bağıl nemi atomizer nemlendirici ile kontrol edilen kamarada saklanan pirincin sorpsiyon izotermlerini modellemek, modellerin güvenilirliğini çeşitli istatistiksel testler ile araştırmak ve pirincin sorpsiyon ısısı ve sorpsiyon entropisininin nem içeriği ile değişimini incelemektir. DENEYSEL Yerel satıcıdan temin edilen pirinç, 105 o C de sabit ağırlığa gelinceye kadar kurutuldu ve adsorpsiyon çalışmaları için 8 g örnek, delikli bir kap içinde iç hacmi yaklaşık 2 m 3 olan bağıl nem ve sıcaklık kontrollü bir depolama kamarası (Şekil 1) içerisine yerleştirildi.

2 Hava Su 25 Şekil 1. Nemlendirme sisteminin şematik gösterimi (1, su girişi; 2, pompa; 3, hava basınç tankı; 4, filtre; 5, iyon değiştirici; 6, membran; 7, drenaj; 8, arıtılmış su; 9, su tankı; 10, pompa; 11, vana; 12, su vanası; 13, su geri dönüşünü önleyici; 14, su basınç regülatörü;15, hava basıncı ile açılan su vanası; 16, kompresör; 17, hava filtresi; 18, hava basınç regülatörü; 19, elektrik valfi; 20, hava vanası; 21, bağlantı elemanı; 22, atomizer nemlendirici; 23, sıcaklık probları; 24, % bağıl nem probu ; 25, üfleç; 26, örnek kapları; 27, UV lamba; 28, tam sızdırmaz kompresör; 29, yoğunlaştırıcı; 30, sıvı tankı; 31, filtre kurutucu; 32, manyetik ventil; 33, kısma vanası; 34, buharlaştırıcı; 35, kuru hava ısıtıcısı; 36, sıcaklık ve % bağıl nem kontrol paneli; 37, soğutma ünitesi; 38, sabit sıcaklık ve bağıl nem kamarası. Başlangıçta, kamaranın bağıl nemi silika jel ile % 10 a ayarlandı. Bir su arıtma sisteminden geçen şebeke suyu ve bir filtreden geçirilen hava, nemlendirme sisteminde 4 bar a düşürülerek karıştırıldı ve elde edilen pülverize buhar depolama kamarasına verildi. Bağıl nem bir atomizer nemlendirici kullanılarak pülverize buhar vasıtasıyla % arasında 9 farklı bağıl neme ayarlandı. Sorpsiyon çalışmaları 25, 35 ve 45 o C de gerçekleştirildi. Desorpsiyon çalışmaları için örnek, sabit ağırlığa kadar % 97 bağıl nemde tutuldu ve sonra kamaranın farklı bağıl nem içeriği kamaradaki nem silika jel vasıtasıyla alınarak sağlandı. İncelenen bağıl nem ve sıcaklıkta örnekler sabit ağırlığa gelinceye kadar bekletildi ve denge nem içeriği örnek ağırlığındaki değişim ile belirlendi. Mikrobiyal bozulmayı önlemek için bir UV lamba kullanıldı. Deneysel veriler pirincin sorpsiyon özelliklerini belirlemek için kullanıldı ve GAB, BET, Henderson, Iglesias-Chirife, Oswin, Peleg, Smith ve Caurie gibi çeşitli modellere uygulandı (Tablo 1). Sorpsiyon modellerine verilerin uygunluğu; ortalama bağıl yüzde sapma (% E), ortalama fark ve hata karelerinin ortalama karekökü (RMSE) gibi istatistiksel testler ile değerlendirildi. N 100 X d X h % E = N i= 1 X d (1) e ort =Σ(X d -X h )/N (2) 1 2 N 1 2 RMSE = ( X d X h ) (3) N i= 1 Tablo 1. Pirincin Denge Sorpsiyon İzotermlerini Tarif Etmek İçin Kullanılan Modeller [4].

3 Model Eşitlik GAB X=X m CKa w /[(1-Ka w )(1-Ka w +CKa w )] BET X= X m Ca w /[(1-a w ) (1-a w +Ca w )] Henderson X=[-ln(1-a w )/A] 1/B Iglesias and Chirife ln[x+(x 2 +X 0.5 ) 1/2 ]=a+ba w Oswin X=A[a w /(1-a w )] B Peleg X=K 1 a n1 n2 w + K 2 a w Smith X=c 1 -c 2 ln (1-a w ) Caurie X= exp (a+ba w ) The net isosterik ısı (q st ), isosterik ısı (Q st, sorpsiyon ısısı) ve çalışma sıcaklıklarının ortalaması olan 35 o C deki suyun buharlaşma gizli ısısı arasındaki farktır ve aşağıdaki eşitlikler yardımıyla bulunabilir [5]. d(ln aw ) qst = R d T (4) (1/ ) x Belli denge nem içeriklerine karşılık gelen su aktivitesi (a w ) değerleri Peleg modeli yardımıyla hesaplandı ve sabit nem içerikleri için net isosterik ısı, 1/T ye karşı ln a w nin grafiğe geçirilmesi ile elde edilen doğruların eğiminden hesaplandı. Belli nem içerikleri için isosterik ısı ve sorption entropisi ( S) eşitlik (5) ve (6) yardımıyla bulundu. Q st = q st +H L (5) -ln a w = Q st /(RT)-( S/R) (6) SONUÇLAR Farklı sıcaklıklardaki adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri Şekil 2 ve 3 de gösterilmiştir. Adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri sabit sıcaklıkta ortam bağıl neminin artmasıyla denge nem içeriğinin arttığını göstermiştir. İzotermler, sigmoidal şekilli bir eğri şeklinde ve tip II izotermlerdir. Belli bir bağıl nemde sıcaklığın artması ile denge nem içeriği azalmıştır. Bu durum yüksek sıcaklıkta fiziksel değişimler nedeniyle suyun bağlanması için gerekli aktif uçların sayısındaki azalmadan kaynaklanmakta ve yüksek sıcaklıkta pirincin daha az higroskobik olduğunu göstermektedir [4].Histerisiz etki tüm su aktivitesi aralığında gözlemiştir. % E, ortalama fark ve RMSE nin düşük olması deneysel verilerin modele uygunluğunu gösterir. %10 dan düşük E değerleri verilerin modellere uygunluğunun iyi olduğunun bir göstergesidir.bet eşitliği aralığındaki su aktiviteler için uygulanmış ve bu aralıkta en düşük % E değerleri BET modeli ile elde edilmiştir. Ancak, tüm su aktiviteleri için % E, ortalama fark ve RMSE değerlerine göre pirincin sorpsiyon verilerinin diğer modellere kıyasla Peleg modeli ile daha iyi temsil edildiği görülmektedir. Peleg modeli için model sabitleri ve r 2, % E, e ort ve RMSE değerleri Tablo 2 de verilmiştir.

4 X (kg su/kg katı) Şekil 2. Adorpsiyon izotermleri (, deneysel 25 o C; ο, deneysel 35 o C;, deneysel 45 o C;, model 25 o C; -, model 35 o C; ---, model 45 o C ) aw X (kg su/kg katı) Şekil 3. Deorpsiyon izotermleri (, deneysel 25 o C; ο, deneysel 35 o C;, deneysel 45 o C;, model 25 o C; -, model 35 o C; ---, model 45 o C ) aw Tablo 2. Peleg Model Sabitleri ve İstatistiksel Testler Adsorpsiyon Desorpsiyon Sabitler 25 o C 35 o C 45 o C 25 o C 35 o C 45 o C K n K n r % E e ort RMSE Sorpsiyon izosterik ısısının denge nem içeriği ile değişimi Şekil 4 de gösterilmiştir.

5 Şekil 4. Sorpsiyon izosterik ısısının denge nem içeriği ile değişimi (, adsorption; ο, desorption). Nem içeriğindeki azalma ile sorpsiyon ısısında bir artış gözlenmiştir. Sorpsiyon izosterik ısısı, adsorplanan su molekülleri ile su molekülleri arasındaki ve adsorbent yüzeyi ile adsorban molekülleri arasındaki bağ enerjilerinin veya moleküllerarası kuvvetlerin büyüklüğünü gösterir. Düşük nem içeriklerinde adsopsiyon, sorpsiyon yerlerinin daha aktif olduğu monomoleküler tabakada meydana gelmektedir. Nem içeriği artarkan sorpsiyon ısısı gittikçe azalan bir eğimle asimptotik olarak suyun buharlaşma gizli ısısına yakın değerler almıştır.yüksek nem içeriklerinde su bağlama kuvveti azalmıştır. Düşük nem içeriklerinde katı yüzeyinde daha fazla polar gruplar vardır ve bağ enerjisi yüksektir. Düşük ve yüksek nem içeriklerinde desorpsiyon izosterik ısısı adsorpsiyon işlemininkinden daha büyük idi. Bu durum düşük ve yüksek nem içeriklerinde adsorpsiyon prosesi için gerekli enerjinin desopsiyon prosesi için gerekli enerjiden büyük olduğunu göstermektedir kg su/kg katı arasındaki nem içeriklerinde adsorpsiyon ve desorpsiton izosterik ısıları birbirine yakın idi. Sorpsiyon entropisinin denge nem içeriği ile değişimi Şekil 5 de gösterilmiştir. Şekil 5. Sorpsiyon entropisinin denge nem içeriği ile değişimi (, adsorption; ο, desorption). Adorpsiyon entropisi nem içeriğinin artmasıyla önce artmış daha sonra ise azalma eğilimi gözlenmiştir. Desorpsiyon entropisinde yaklaşık 0.2 kg su/kg katı nem içeriğine kadar fazla bir

6 değişim gözlenmemiş, bu nem içeriğinden sonra nem içeriğinin artmasıyla desorsiyon entropisi azalmıştır. SEMBOLLER a, b Caurie ve Iglesias-Chirife model parametreleri a w su aktivitesi A, B Henderson ve Oswin model parametreleri c 1, c 2 Smith model parametreleri C GAB ve BET model parametreleri e ort deneysel ve hesaplanan denge nem içerikleri arasındaki ortalama fark % E ortalama bağıl yüzde sapma H L suyun buharlaşma gizli ısısı (35 o C de kj/mol ) H c mono ve multi tabaka sorpsiyon ısıları arasındaki fark (kjmol -1 ) H k multi tabaka sorpsiyon ısısı ve suyun buharlaşma gizli ısısı arasındaki fark (kjmol -1 ) K GAB model parametresi K 1, K 2 Peleg model parametreleri n 1, n 2 Peleg model parametreleri N gözlem sayısı q st net isosterik ısı (kjmol -1 ) Q st isosterik ısı (kjmol -1 ) R gaz sabiti (8.314 Jmol -1 K -1 ) RMSE hata karelerinin ortalama karekökü S sorpsiyon entropisi(jmol -1 K -1 ) T sıcaklık (K) X denge nem içeriği(kg kgkatı -1 ) X 0.5 a w =0.5 deki denge nem içeriği (kg kg katı -1 ) X d deneysel denge nem içeriği (kg kg katı -1 ) X h hesaplanan denge nem içeriği (kg kg katı -1 ) X m mono tabaka nem içeriği (kg kg katı -1 ) KAYNAKLAR 1. Basunia, M.A., Abe, T., Moisture Adsorption Isotherms of Rough Rice, Journal of Food Engineering, 42, , Iglesias, H.A., Chirife, J., An Alternative to the Guggenheim, Anderson and de Boer Model for the Mathematical Description of Moisture Sorption Isotherms of Foods, Food Research International, 28, , Sun, D.W., Comparison and Selection of EMC/ERH Isotherm Equations for Rice, Journal of Stored Products Research, 35, , Al-Muhtaseb, A.H., McMinn, W.A.M., Magee, T.R.A., Water Sorption Isotherms of Starch Powders Part 1: Mathematical Description of Experimental Data, Journal of Food Engineering, 61, , Cadden, A.N., Moisture Sorption Characteristics of Several Food Fibers, Journal of Food Science, 53, , 1988.